海原地震典型黃土滑坡群形成機制與運動特征研究

彭政奎， 楊東強

(核工業(yè)西南勘察設計研究院有限公司， 四川 成都 610059)

0 引 言

1920年的海原大地震是我國歷史上最大的地震之一，發(fā)生時間為1920年12月16日20時06分，震中位于海原縣縣城以西哨馬營和大溝門之間，東經(jīng)105.7度，北緯36.7度，震中烈度12度，震源深度17 km，屬破壞性最強的淺源地震[1].此次地震釋放的能量巨大，損毀房屋建筑，并直接誘發(fā)大規(guī)模滑坡多達數(shù)千個，主要分布在極震區(qū)的寧夏西海固地區(qū)以及甘肅靜寧與會寧地區(qū)[2].針對海原地震誘發(fā)的滑坡機理，科研人員做了大量的分析并取得了很多研究成果[3-8]，總體而言，對于黃土地區(qū)地震誘發(fā)的滑坡群的形成機理和運動特征的研究還十分有限.對此，本研究在通過對地震誘發(fā)滑坡災害高密度區(qū)走訪調查的基礎上，選取典型黃土滑坡群進行實地測量及現(xiàn)場勘探，在獲取大量重要數(shù)據(jù)基礎上，對研究區(qū)域所選取的典型黃土滑坡群的形成機理和運動特征進行分析，提出此類滑坡群的發(fā)育特征和形成機制，并對此類滑坡的運動過程提出“四個階段”模式，此對滑坡的危險性評價和其發(fā)生的邊界位置預測具有一定實際意義.

1 工程地質及水文條件

1.1 工程地質狀況

研究區(qū)域地形連綿起伏，屬于黃土丘陵中等切割區(qū)，主要表現(xiàn)為黃土梁、峁以及坳溝等典型黃土地貌，坡頂最高海拔高度約為2 000 m，坡底最低海拔高度約為1 800 m，斜坡坡度以15°～20°為主，沿著黃土梁兩側的大、中型滑坡較為發(fā)育，可見多個滑向趨于一致的滑坡彼此相連，形成十分壯觀的連拱狀后壁大型滑坡群.

現(xiàn)場勘探發(fā)現(xiàn)，該滑坡區(qū)域上部地層屬第四系上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)黃土覆蓋層，下伏基巖為新近紀泥巖、滑坡區(qū)出露的地層巖性具體為:

2)新近紀(Nh)泥巖.滑坡區(qū)新世紀(Nh)泥巖呈磚紅色、紅色，質密且相對隔水，無明顯層理，抗壓、抗剪強度均較高.現(xiàn)場探孔揭露其在與黃土接觸面上風化較嚴重，強風化帶厚約為3～5 m，在黃土剝蝕嚴重的陡坡和下切較深的河溝兩岸均可見露頭.

1.2 水文條件

研究區(qū)域地下水的類型以第四系黃土類潛水為主，主要是接受當?shù)卮髿饨邓a給，經(jīng)黃土垂直節(jié)理直接下滲，徑流途徑短，且在下伏新近紀泥巖面形成相對隔水層.在黃土斜坡里，沿著基覆界面，水位變化往往呈陡降趨勢.

2 滑體特征

在滑體特征分析中，本研究選取西吉縣田坪鄉(xiāng)腰莊村的大型黃土滑坡群作為分析參考象，其地貌情況如圖1、圖2所示.滑坡區(qū)地理坐標為N35°54′46.3″，105°24′31.9″，距震中約56 km，該滑坡群是由4個規(guī)模相近、主滑向一致的子滑坡連接而成，其具體參數(shù)見表1.

圖1滑坡群全圖

圖2 滑坡區(qū)域遙感圖

現(xiàn)場調查顯示，這4個子滑坡構成的滑坡邊界十分清晰，平面形態(tài)上呈“四連拱形”，總體滑動方向為55°.滑坡所在的黃土斜坡坡頂高程為1 983 m，坡腳高程為1 895 m，斜坡平均坡度為15°，單個子滑坡的平面形態(tài)呈圈椅狀，相鄰的子滑坡間仍保留了一小段與后壁相連的滑坡側壁，整個滑坡群具有很好的整體性.其中，4#滑坡的上游側壁和1#滑坡的下游側壁又分別構成了整個滑坡群的上下游邊界.

此外，整個滑坡群靠近后緣位置均可見洼地和平臺，中部地形起伏多變，呈波浪狀，波峰波谷特征分明，長軸方向與主滑方向基本垂直.滑坡堆積體前緣地形稍稍隆起，形成鼓丘，繼續(xù)向前抵達對岸坡腳，其地形較為平坦，呈現(xiàn)為4°～6°的小傾角爬坡，并在滑坡對岸的坡腳處形成反殼堆積.

3 成因機制分析

3.1 失穩(wěn)原因分析

相關研究表明，滑坡的形成往往是多個因素共同影響的結果，但針對本研究區(qū)的滑坡，其主要影響因素可以歸納為坡體結構和地震作用兩個方面.

圖3腰莊滑坡群I-I工程地質剖面圖

3.1.1 坡體結構

現(xiàn)場勘探發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域的黃土與新近紀泥巖間的層間接觸面構成一個天然的軟弱結構面，由于黃土垂直滲透系數(shù)大，下部泥巖卻相對隔水，順黃土節(jié)理下滲的地表水受泥巖阻擋，蓄積于泥巖表面，容易引起地下水位上升，使常年浸泡在地下水中的黃土基本達到飽和狀態(tài)，有效應力值低.同時，兼受地下水溶蝕軟化的影響，在黃土與泥巖接觸面上形成一個天然軟弱帶，其抗剪、抗拉能力弱，這為坡體失穩(wěn)提供了極為重要的內在條件.

3.1.2 地震作用

該地區(qū)在地震發(fā)生時，產生的地震波由震中向外傳播，由于震級高(8.5級)、釋放的能量大，且研究區(qū)離震中較近(約65 km，屬IX度烈度區(qū))，導致破壞性較強.地震波中首先傳到坡體上的是P波，對坡體反復進行強烈的“壓縮—擴張”作用，上覆黃土和基巖面上形成的天然軟弱帶強度首先遭到削弱；緊接著到達的是破壞性更強的S波(剪切波)，使坡體劇烈搖晃，并在坡面上產生臨空向的地震推力，使坡體的軟弱帶遭到大位移剪切以及拉裂破壞，形成貫通的滑面；同時，在L波(混合波)的作用下，坡體完全失去穩(wěn)定性，所形成的滑楔體具有一定初始加速度，并在重力場的影響下，開始啟動.

3.2 連拱破壞特點

現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)坡體失穩(wěn)滑動時不是形成一個完整單一的后壁，而是出現(xiàn)了這種“連拱形”分區(qū)又相對連續(xù)的滑坡后壁，究其原因有以下幾點：

1)微地貌控制.黃土滲透性強，且具有特殊的水敏性質，長年累月遭受雨水溶蝕作用，在黃土坡頂和坡面上形成很多落水洞，當坡體遭受地震拉裂剪切破壞時，在后緣出現(xiàn)拉裂縫，當拉裂縫恰好穿過串珠似的落水洞時，則會以某個落水洞的位置發(fā)生引導變向，裂縫不斷延伸并最終形成一個單獨的滑坡后壁[9].

2)黃土強度低.由于黃土天然強度很低，垂直節(jié)理發(fā)育，因此其水平面任意方向的抗拉強度都很低，在地震破壞過程中，形成的后緣拉裂面很難保持長距離下的完整性，而是出現(xiàn)分段現(xiàn)象，表現(xiàn)為后緣平面形態(tài)上的連拱形.

3)局部地形影響.黃土地區(qū)的斜坡坡頂并非十分平坦，而是波狀起伏，同時由于受雨水侵蝕，沿著坡面出現(xiàn)很多小的水蝕淺溝，這種地形對整個黃土梁形具有一定的切割和分塊作用.因而在坡體失穩(wěn)時，在這種淺溝里很容易形成應力集中區(qū)，在地震時優(yōu)先發(fā)展成破裂面.

4 運動特征

通過實地測量及現(xiàn)場勘探，并對大量數(shù)據(jù)進行分析的基礎上，本研究將滑坡的整個運動過程分為以下4個階段，其特征如圖4所示.

1)破壞啟動階段.地震波到達坡體時，給坡體提供了一個臨空向的附加應力，打破了坡體原來的應力平衡狀態(tài)，沿著坡體內部的軟弱面逐漸形成貫通的滑面，并在重力和地震力的共同作用下，坡體開始失穩(wěn)滑動.

2)運動拉裂階段.天然黃土結構較為疏松，在震動荷載的作用下，土體的微觀結構遭到破壞，伴隨著地下水的影響，黃土發(fā)生震陷，在局部垂向運動和整體水平向運動的二維運動場里，滑楔體整體結構開始破壞，并在后部出現(xiàn)拉裂縫和拉陷槽.

3)解體流滑階段.這一階段，黃土原狀結構基本被破壞.微觀上，黃土中的大孔隙被細顆粒填充， 地下水上涌使黃土達到飽和狀態(tài)，孔隙壓力增大，發(fā)生液化現(xiàn)象；宏觀上，滑體加速運動并趨于完全解體，整體上表現(xiàn)為上部干燥的黃土形成碎屑體，壓附在下部飽水黃土形成的泥流上，動摩擦系數(shù)很小，運動受阻程度小，滑體呈現(xiàn)出高速流滑的運動特征.

圖4滑坡形成過程示意圖

4)堆積穩(wěn)定階段.滑坡啟動后，由于坡體高差大導致位能轉化成的勢能高，在流滑的運動模式下，滑坡高速滑動.當滑坡運動一定距離后，其能量大幅消耗衰減，運動體前部沖撞對岸的山坡坡腳受阻形成反殼堆積，滑坡體的運動能量基本消耗殆盡，此時，在整個運動面上形成滑坡堆積物，并且達到相對穩(wěn)定狀態(tài).

5 結 語

本研究在對1920年發(fā)生的海原大地震所誘發(fā)的大型黃土滑坡群進行調查和勘探的基礎上，展開對其形成機制和運動特征的討論和分析，總結出此類型滑坡的一般規(guī)律，具體表現(xiàn)為：

1)在黃土地區(qū)的這種下伏新近紀泥巖，上部為第四系黃土層的地質模式下，當強震發(fā)生時，滑坡往往沿著其接觸面的軟弱帶向下滑動.

2)此類滑坡形成機理可以歸納為內因和外因兩個方面，即坡體自身結構存在的天然軟弱帶，地震波的3種傳播方式對坡體的累計破壞.

3)該區(qū)域滑坡的“連拱后壁”形態(tài)十分特殊和典型，究其原因，可歸納為微地貌控制、黃土強度低以及局部地形影響3個方面.

4)該類型滑坡的運動可以分為4個階段，即破壞啟動、運動拉裂、解體流滑和堆積穩(wěn)定階段.坡體在下滑的過程中逐步解體失去整體性，滑速大、滑距遠，表現(xiàn)為一種接近“流態(tài)”的特殊運動特征.